DE3825587A1 - Piezoelektrischer linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Linearmotor, der zur Ausführung von Linearbewegungen relativ zu einer Schiene eingerichtet ist, auf die in gegenseitigem Abstand piezoelektrische Klemmvorrichtungen einwirken, die abwechselnd im Gegentakt die Schiene fest­ klemmen, wobei der gegenseitige Abstand der Klemmvorrich­ tungen mittels eines diese verbindenden piezoelektrischen Vorschubaktuators im Takt des wechselseitigen Klemmens der Klemmvorrichtungen um das Längungsmaß des Vorschub­ aktuators veränderbar ist.

Ein derartiger piezoelektrischer Linearmotor ist aus der DE-OS 19 33 205 bekannt. Dieser Linearmotor, der nur für kurze Verschiebungen von Betätigungsansätzen gegenüber einem ruhenden Stator geeignet ist, weist im Abstand voneinander piezoelektrische Klemmvorrichtungen auf. Die Betätigungsansätze sind über einen weiteren piezoelektri­ schen Vorschubaktuator verbunden, der die Schieneneinheit, bestehend aus piezoelektrischem Vorschubaktuator und Betätigungsansätzen, längen und kürzen kann. Jede der Klemmvorrichtungen wirkt auf einen der Betätigungsansätze ein. Durch wechselseitiges Festklemmen des einen und anderen Betätigungsansatzes und einem zeitlich dazwischen liegenden Längen der Schieneneinheit lassen sich die Betätigungsansätze in der einen oder anderen Richtung verschieben.

Sollen mit Hilfe des piezoelektrischen Motors irgendwelche mechanischen Bauteile, beispielsweise eine Lesevorrichtung eines optischen Abtastsystems, bewegt werden, dann muß der Linearmotor größere Kräfte ausüben können. Dies setzt aber auch gute Klemmeigenschaften der Klemmvorrichtungen voraus, die bei den bekannten Bauarten nicht gegeben sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Motor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der mit geringem technischem Aufwand eine starke Klemmung an der Schiene herbeiführt.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der Klemmvorrichtungen einen piezoelektrischen Klemmaktuator aufweist, an dem längs seiner Längungsrich­ tung im Abstand voneinander Füße der Basis eines Klemm­ bügels angreifen, dessen freie Bügelarme bei Längung des piezoelektrischen Klemmaktuators und Durchbiegung der Basis die Schiene zwischen sich einklemmen.

Die Längung eines Klemmaktuators beträgt gewöhnlich nur wenige Mikrometer. Biegt der piezoelektrische Klemm­ aktuator die Basis des Klemmbügels durch, so wird durch dessen Hebelwirkung der Hebelweg an der Schiene so stark vergrößert, daß sich eine zuverlässige Klemmung ergibt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß an den freien Enden der Bügelarme Andruck­ lager vorgesehen sind, zwischen denen die Schiene einklemmbar ist. Die Andrucklager können dabei in vorteil­ hafter Weise derart ausgebildet sein, daß eines der Andrucklager eine V-förmige Lagergrube und das andere ein Spitzenlager ist. In diesem Fall ist die Anordnung derart getroffen, daß das Spitzenlager aus einer Stellschraube besteht, mittels der die Andruckkraft der Schiene gegen die Lagergrube einstellbar ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorge­ sehen, daß beide Andrucklager als V-förmige Lagergruben ausgebildet sind, wobei ein Andruckstück vorgesehen ist, welches senkrecht zur Klemmrichtung der Lagergruben gegen die Schiene zustellbar ist. Das Andruckstück kann dabei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung an einem Federbügel angeordnet sein, dessen Befestigungsende zur Abstandseinstellung an der Basis befestigt ist und dessen freies Einstellende mittels einer Stellschraube gegenüber der Schiene einstellbar ist zur Einstellung der Andruck­ kraft des Andruckstückes gegenüber der Schiene. Derartige Klemmvorrichtungen sind außerordentlich wirkungsvoll und belasten die Schiene nur großflächig.

Zu ihrer Erregung benötigen die Klemmaktuatoren und der Vorschubaktuator als Steuergröße je eine elektrische Spannung. Die Aktuatoren sind vorzugsweise als Vielschichtaktuatoren ausgeführt, bestehend aus einer größeren Anzahl (beispielsweise 20 bis 50) dünner Schichten aus piezokeramik mit metallischen Zwischen­ elektroden. Verglichen mit Aktuatoren gleicher Dicke, die aus nur einem Keramikstück bestehen, kann die Erreger­ spannung bei den Vielschichtaktuatoren um einen Faktor vermindert werden, der der Anzahl der Schichten entspricht. Typischerweise genügen 10 V bis 20 V zum Betrieb des Linearmotors.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen piezoelektrischen Linearmotor in Seiten­ ansicht,

Fig. 2 den piezoelektrischen Linearmotor nach Fig. 1 mit zwei Klemmvorrichtungen sowie zwei piezoelektrischen Aktuatoren für die Klemmvorrichtungen und einem piezoelektrischen Aktuator für die Forbewegung im Zusammenwirken mit einer Schiene,

Fig. 3 eine abgewandelte Form des Linearmotors mit anders ausgebildeten Klemmvorrichtungen.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Linearmotor 1 ist als Einheit längs einer Schiene 3 verschieblich. An der Schiene 3 greifen zwei Klemmvorrichtungen 4 a und 4 b an. Jede der Klemmvorrichtungen besteht aus einem Bügel 5 mit zwei Bügelarmen 6, 7 und einer Basis 8. Zwischen den Bügelarmen befindet sich ein Einschnitt 9. Die Basis 8 weist eine Querschnittsverjüngung 10 im Bereich eines Einschnittbogens 11 auf. An der Basis 8 sind beiderseits des Einschnittbogens 11 zwei Füße 12 vorgesehen. Die Füße 12 sind an einem piezoelektrischen Klemmaktuator befestigt. Dieser piezoelektrische Klemmaktuator 13 ist in Richtung von Pfeilen 14 längbar, und aufgrund seiner elektrisch erregten Längung sind die Füße 12 auseinander drückbar.

Der Bügelarm 6 weist ein V-förmiges Andrucklager 15 und der Bügel 7 ein punktförmiges Andrucklager 16 auf. Das punktförmige Andrucklager 16 wird gebildet von einer Klemmschraube 17, die in einem Ansatz 18 des Bügels 7 drehbar und in Richtung auf die Schiene 3 zustellbar gelagert ist.

Die beiden Klemmvorrichtungen 4 a und 4 b sind verbunden mittels eines piezoelektrischen Vorschubaktuators 19, der in Richtung der Pfeile 20 längbar ist.

Der piezoelektrische Linearmotor nach Fig. 3 ähnelt dem nach Fig. 1 und 2, und auch er kann sich im Raupengang längs der Schiene 3 fortbewegen. Es ist nur eine der Klemmvorrichtungen 4 c dargestellt. Die Klemmvorrichtung 4 c besteht wieder aus zwei Bügelarmen 26, 27, die über eine Basis 28 verbunden sind. Zwischen den Bügelarmen 26 und 27 befindet sich ein Einschnitt 29, der im Bereich 30 der Basis 28 deren Querschnitt vermindert. Die etwas breiter ausgebildeten Füße 31, 32 der Basis sind verbunden mit dem piezoelektrischen Klemmaktuator 13. Beide Klemmvorrich­ tungen dieses Motors sind wie bei dem Motor nach Fig. 1 und 2 über einen piezoelektrischen Vorschubaktuator 19 verbunden.

Beide freien Enden der Bügelarme 26 und 27 sind mit V-förmigen Lagergruben 33, 34 versehen, die gegen die Schiene 3 zustellbar sind. Weiterhin ist ein Andruckstück 35 vorgesehen, das an einem Federbügel 36 befestigt ist. Ein Ende dieses Federbügels 36 ist im Bereich der Basis 28 mittels einer Schraube 37 an der Basis 28 festgelegt. Das andere freie Ende trägt eine Stellschraube 38, die zur Höhenverstellung des freien Endes gegenüber dem Bügelarm 26, in den sie eingeschraubt ist, hinein und heraus drehbar ist. Durch ein verstärktes Anschrauben kann der Andruck des Andruckstückes gegen die Schiene erhöht werden.

Beide Linearmotoren arbeiten in derselben Weise. Es wird zunächst eine Klemmvorrichtung, beispielsweise in Fig. 2 die Klemmvorrichtung 4 a, durch Längung des piezoelektri­ schen Klemmaktuators 13 erregt und gegen die Schiene 3 gedrückt. Der Klemmaktuator 13 der Klemmvorrichtung 4 b ist nicht erregt, und der Klemmbügel 5 gibt die Schiene 3 frei. Nun wird der Vorschubaktuator 19 erregt. Die Klemmvorrichtung 4 b entfernt sich infolge seiner Längung um wenige µm von der Klemmvorrichtung 4 a. Ist die Längung des Vorschubelementes 19 abgeschlossen, dann wird durch Erregen des Klemmaktuators 13 der Klemmvorrichtung 4 b die Schiene im Bereich der Klemmvorrichtung 4 b festgeklemmt. Nun wird der Klemmaktuator 13 der Klemmvorrichtung 4 a entregt, und die Klemmvorrichtung 4 a gibt die Schiene frei. Wird nun auch der Vorschubaktuator 19 entregt und zieht sich dieser zusammen, dann schiebt sich die Klemmvorrichtung 4 a um das Ausmaß des Zusammenziehens im Raupengang hinter der Klemmvorrichtung 4 b her.

Diese Vorgänge wiederholen sich nun, indem erneut die Klemmvorrichtung 4 a erregt wird und die Schiene 3 von ihr festgeklemmt wird. Daraufhin wird die Klemmvorrichtung 4 b entregt, und der Vorschubaktuator 19 wird erregt. Bei seiner Längung schiebt sich nun die Klemmvorrichtung 4 b um das Ausmaß der Längung des Vorschubaktuators weiter vor.

Die Aktuatoren 13 und 19 sind vorzugsweise als Vielschichtaktuatoren ausgebildet, wobei sich zwischen die piezoelektrischen Keramikplättchen jeweils Metall­ schichten als Elektroden befinden. Dadurch genügt eine Spannung von typischerweise 10 V bis 20 V zu ihrer Erregung und damit zum Betrieb des Linearmotors.

Diese Vorrichtung eignet sich beispielsweis zum Verschieben einer optischen Einheit in einem CD-Spieler. Die Ansteuerung ist einfach und kann sehr kleinbauend ausgeführt werden.

Claims (8)

1. Piezoelekrischer Linearmotor, der zur Ausführung von Linearbewegungen relativ zu einer Schiene (3) eingerichtet ist, auf die in gegenseitigem Abstand piezoelektrische Klemmvorrichtungen (4) einwirken, die abwechselnd im Gegentakt die Schiene (3) festklemmen, wobei der gegen­ seitige Abstand der Klemmvorrichtungen (4) mittels eines diese verbindenden piezoelektrischen Vorschubaktuators (19) im Takt des wechselseitigen Klemmens der Klemm­ vorrichtungen (4) um das Längungsmaß des Vorschubaktuators (19) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Klemmvorrichtungen (4) einen piezoelektrsichen Klemm­ aktuator (13) aufweist, an dem längs seiner Längungsrich­ tung im Abstand voneinander Füße (12, 31, 32) der Basis (8, 28) eines Klemmbügels (5, 25) angreifen, dessen freie Bügelarme (6, 7; 26, 27) bei Längung des piezoelektrischen Klemmaktuators (13) und Durchbiegung der Basis (8, 28) die Schiene (3) zwischen sich einklemmen.

2. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmaktuatoren (13) und der Vorschubaktuator (19) als lamellierte Vielschicht­ aktuatoren ausgeführt sind, die aus einer Vielzahl piezo­ elektrischer Keramaikschichten mit metallischen Zwischen­ elektroden bestehen.

3. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der Bügelarme (6, 7; 26, 27) Andrucklager (15, 16; 33, 34) vorgesehen sind, zwischen denen die Schiene (3) einklemmbar ist.

4. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Andrucklager (15) eine V-förmige Lagergrube und das andere (16) ein Spitzenlager ist.

5. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spitzenlager (16) aus einer Stell­ schraube (17) besteht, mittels der die Andruckkraft der Schiene (3) gegen die Lagergrube (15) einstellbar ist.

6. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Andrucklager (33, 34) als V-förmige Lagergruben ausgebildet sind.

7. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Andruckstück (35) vorgesehen ist, welches senkrecht zur Klemmrichtung der Lagergruben (33, 34) gegen die Schiene (3) zustellbar ist.

8. Piezoelektrischer Linearmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Andruckstück (35) an einem Feder­ bügel (36) angeordnet ist, dessen Befestigungsende an der Basis (28) befestigt ist und dessen freies Einstellende zur Abstandseinstellung mittels einer Stellschraube (38) gegenüber der Schiene (3) einstellbar ist zur Einstellung der Andruckkraft des Andruckstückes (35) gegenüber der Schiene (3).